Research - 华中科技大学胡彬教授团队将剪纸技术与建筑围护结合，设计了一种面向节能窗的薄膜结构材料

来源：“Research科学研究”微信公众号

华中科技大学胡彬教授团队将剪纸技术与建筑围护结合，设计了一种面向节能窗的薄膜结构材料，该剪纸薄膜通过动态宽幅调控窗户的热辐射角度，使窗户能在被动制冷-保温模式间切换，展现了在低碳建筑应用的潜力。相关成果以‘Switchable Kirigami Structures as Window Envelopes for Energy-Efficient Buildings’为题发表在Research上。

Citation:

Yin H, Zhou X, Zhou Z, Liu R, Mo X, Chen Z, Yang E, Huang Z, Li H, Wu H, Zhou J, Long Y, Hu B. Switchable Kirigami Structures as Window Envelopes for Energy-Efficient Buildings. Research 2023;6:Article 0103.

https://doi.org/10.34133/research.0103

研究背景

有效调节建筑热辐射是减少建筑能耗的有效途径之一。窗户作为建筑围护结构中的薄弱环节，因窗户产生的热损失高达45%，优化窗户的热性能对提高建筑能源利用效率具有重要意义。新兴的无源辐射制冷技术利用大气窗口（8-13μm）与外太空进行能量交换，在建筑节能领域展示出极大的应用前景，然而将其应用于节能窗领域，静态辐射特性和热辐射能量交换的角度依赖性问题仍待解决。此外，关于建筑窗户节能的研究主要关注太阳光波段，目前仍缺乏面向窗户的热辐射角度调控的相关技术研究。

研究进展

本文将剪纸技术引入具有红外反射特性的透明导电氧化物复合薄膜中，设计了具有制冷和保温双工作模式的剪纸结构。在制冷模式下增强窗户的被动辐射制冷；在保温模式下关闭辐射制冷通道抑制窗户热散失。首先，对剪纸结构双工作模式的应用场景和切换方式进行了阐述（图1）。剪纸基材选择中红外波段高反射率（0.93）氧化铟锡（ITO）作为热反射体，聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为机械支撑层，并利用激光加工成特定的图案。通过加载不同方向的预应力，剪纸结构可以实现翻转，在保温和制冷模式之间实现切换。

图1 双模式剪纸结构的设计概念和工作原理

基于该剪纸结构，讨论了实现窗户热辐射调控的工作原理，建立了窗户与大气的辐射热交换模型，通过模拟结果设计了剪纸结构的几何参数，并通过应力-应变拉伸试验和光学性能表征进行筛选和优化。基于剪纸结构的性能，研究中将其应用在窗户上测试其实际节能效果（图2）。在户外测试直观验证了通过剪纸结构调节热辐射角度实现室内温度调节的可行性。在制冷模式下，具有剪纸结构的模型其日间温度相比于普通窗户低3.3 ，在保温模式下，夜间温度高于环境温度3.9 。模拟计算对比了普通窗、低发射率（Low-E）节能窗，表明剪纸结构可为全球各地不同气候区的特定建筑节约每年34~88MJ m-2的暖通空调能耗，部分地区建筑的年度总节约能耗可显著优于商用Low-E节能窗，体现出巨大的低碳节能建筑应用潜力。

图2 剪纸结构在窗户上的实际应用效果

未来展望

通过将辐射调控材料与剪纸技术集成，实现了有效的窗户热辐射角度动态调控，为全球不同气候下的特定建筑带来的年度暖通空调节能潜力可达34~88MJ m-2。该技术可与现有的电致、热致以及光致节能技术集成，也可以结合传感器根据天气变化进行自适应切换，还可延伸应用至穿戴式热管理、新能源车能效提升、动态电磁屏蔽等领域。

作者简介

胡彬，华中科技大学，武汉光电国家研究中心及光学与电子信息学院双聘教授。从事柔性光电材料与器件研究，近年来致力于探索光能调控与利用的新材料与新技术，通过材料学、光学、力学领域的交叉，开发能源转换与利用效率提升的新策略，应对能源与环境可持续发展中的重大挑战。在Advanced Materials、Nano Energy、Joule、ACS Nano、Advanced Functional Materials等SCI期刊发表学术论文70余篇，研究论文引用10000余次（Google Scholar），授权中国发明专利12项，在MRS等国内外学术会议邀请报告20余次，研究成果成入选ACS Weekly News，被Science Daily，美国科学促进会Eurekalert，英国机械工程师学会IMechE等20余家媒体报道。担任Advanced Materials、Joule等40余学术期刊审稿人，《光学学报》青年编委。作为负责人主持多项国家自然科学基金项目、湖北省重点研发计划、国家重点研发计划与国家自然科学基金重大计划项目骨干，以及若干产学研合作项目。作为主要完成人获湖北省自然科学一等奖、高等学校科学研究优秀成果（自然科学）一等奖、IAAM Fellow及科学家奖、日内瓦国际发明展银奖。